Работа посвящена исследованию трехфазного электрического генератора, у которого магнитный поток возбуждения создается источником трехфазного напряжения и перемещается относительно ротора.

Актуальность исследования обусловлена возможностью асинхронизированных машин:

• Обеспечение стабильного значения и частоты генерируемого напряжения при нестабильном источнике механической энергии.

• Экономия энергии от нормализации частоты: снижение частоты приводит к увеличению тока при передаче энергии и, соответственно, к увеличению потерь.

• Экономия энергии от возможности регулировать напряжение.

• Экономия энергии от возможности управления качеством энергии.

• В ряде случаев для повышения устойчивости, экспорта энергии в другие страны оказывается выгодно объединять энергосистемы не жестко, как это делается сейчас, а «гибко» — посредством управляемых связей, состоящих из двигатель-генераторных комплексов с асинхронизированными машинами.

Существует проблема обеспечения стабильных параметров электрической энергии, получаемой преобразованием энергии механической от нестабильного ее источника, например, ветряного двигателя. Та же проблема существует и при работе от стабильного источника механической энергии, но при нестабильной нагрузке электрической. Эффективным способом решения этой проблемы является преобразование механической энергии в электрическую асинхронизированными синхронными генераторами (АСГ).

Понятие асинхронизированный синхронный генератор.

От синхронных машин АСГ отличаются тем, что магнитное поле перемещается относительно ротора, который его создает, от асинхронных машин АСГ отличается тем, что это перемещение создается посторонним источником и является управляемым (рис 1).

Исследование АСГ на физических моделях дорого, трудоемко и энергоемко, современные технологии исследования предлагают системы компьютерной математики, позволяющие определять параметры объекта без его материального воплощения. Наиболее эффективной системой является Matlab.

Одна из самых сложных проблем в моделировании – подготовка модели объекта исследования. Она удобно решается расширением Matlab Simulink благодаря наличию библиотеки компонентов в виде блоков. Это упраздняет составление и решение систем алгебраических и дифференциальных уравнений и обеспечивает визуальный контроль «поведения» модели. Библиотека содержит источники сигналов с любыми временными зависимостями, в том числе источники энергии, преобразователи с любыми передаточными характеристиками, в том числе и преобразователи электромеханические, виртуальные устройства, регистрирующие изменение величины во времени и ее значение в цифровом виде.

На основании сказанного сделан вывод, что исследование АСГ в системе Simulink является достойным решением проблемы.

Цель работы – представить простую модель асинхронизированного синхронного генератора (структуру и характеристики) для исследования возможности получения стабильных напряжения и частоты от нестабильного источника механической энергии.

Предполагаемая новизна:

• впервые создание модели асинхронизированного синхронного генератора из библиотечных элементов программы Simulink. Это дает возможность независимой оценки адекватности теоретических моделей (т.к. библиотечные элементы созданы авторами программы, а не теории);

• впервые выполнение анализа потоков энергии в АСГ при глубоком (±60%) регулировании частоты возбуждения. Это дает возможность сделать вывод о целесообразности применения самовозбуждения для АСГ;

• впервые установление зависимости КПД от частоты возбуждения при глубоком ее регулировании. Это дает возможность определить целесообразные области применения асинхронизированных синхронных генераторов.

Планируемый практический результат:

• повышение устойчивости энергетической системы благодаря возможности регулирования потока реактивной энергии между асинхронизированным генератором и сетью;

• повышение стабильности частоты и напряжения ветроагрегата с асинхронизированным генератором за счет возможности поддержания постоянной частоты и напряжения при изменяющейся скорости ветра;

• обеспечение возможности развязки по частоте электрических систем благодаря независимому регулированию выходной частоты генератора.

Теория и практика асинхронизированных машин начинает свое развитие с работ по коллекторным каскадам, с исследований В. Зейца, Д. Осанна, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко, В. Г. Касьянова. Большой вклад в развитие этого направления, в создание современной теории асинхронизированных машин и основ их использования внес М. М. Ботвинник, по инициативе и под руководством которого эти работы были начаты во ВНИИЭ в 1955 г.

Асинхронизированные синхронные генераторы относятся к классу машин двойного питания «синхронного» принципа действия. Они обладают устойчивостью по углу между синхронно вращающимися векторами полей статора и ротора [1]. Структурная схема АСГ изображена на рисунке 2.

Для создания кругового поля обмотки ротора не обязательно должны составлять симметричную систему. На практике встречаются АСГ как с симметричными, так и с несимметричными обмотками.

Обмотку возбуждения можно питать через трансформатор от сети (самовозбуждение) или с помощью дополнительной синхронной машины, работающей на одном валу с АСГ. Наиболее простым способом является питание от сети через трансформатор. Однако этот способ имеет недостатки: сеть загружается реактивным током, потребляемым ПЧ, в нее проникают высшие гармонические, обусловленные дискретностью работы ПЧ. Питание от синхронной машины не имеет этих недостатков; кроме того, путем соответствующего управления ее возбуждением может быть улучшен и гармонический состав токов ротора АСГ. Однако питание от синхронной машины сложнее.

ПЧ является силовым звеном цепи возбуждения АСГ. Его назначение – создавать вращающееся относительно ротора в нужном направлении круговое поле с требуемыми амплитудой, частотой и фазой.

ПЧ должен также обеспечивать свободный обмен энергией между обмотками ротора и сетью через трансформатор или обмотками ротора и валом АСГ через синхронную машину. В качестве ПЧ используют в основном тиристорные ПЧ с непосредственной связью (циклоконвертеры) [2-4], в отдельных случаях применяются ионные циклоконвертеры [2].

Внешняя реактивность ВР представляет собой согласующий трансформатор и ЛЭП высокого напряжения. В сетях низкого напряжения внешняя реактивность ВР может отсутствовать.

Основным звеном системы управления АСГ является регулятор Р. Он управляет ПЧ и через него - полем ротора АСГ. Регулятор имеет два явно или неявно выраженных внутренних канала управления, в которых формируется закон управления полем ротора (так как поле может быть представлено в виде вектора, имеющего две независимые проекции на оси ротора).

При этом электромеханическая устойчивость МДП определяется не частотой вращения полей статора и ротора, а их взаимным положением, т.е. углом между векторами, определяющими эти поля.

Число выходов регулятора равно числу обмоток ротора.

Основными датчиками, на базе информации которых регулятор формирует закон управления полем ротора, являются датчик напряжения сети ДНС и задатчик частоты ЗЧ. Задатчик частоты представляет собой автономный генератор синусоидальных колебаний постоянной амплитуды. С его выхода снимается информация о векторе напряжения источника независимой частоты. Датчик положения ДП дает информацию об угловом положении ротора АСГ относительно статора и частоте вращения ротора. Датчик ДНС дает информацию о векторе напряжения сети – о его модуле, фазе и частоте. Датчик ДНС - обычный измерительный трансформатор напряжения, ДТС - измерительный трансформатор тока [5].

Более сложным устройством является датчик ДТР. Поскольку при измерении токов ротора АСГ имеют дело с токами низкой частоты, то применение измерительных трансформаторов исключено. Используются схемы с шунтами или датчиками Холла [1,4].

В настоящее время определена широкая и важная область применения асинхронизированных машин – в электроэнергетических системах и схемах электроприводов различных механизмов. Например, асинхронизированные генераторы и компенсаторы могут найти применение в электроэнергетических системах, в которых содержатся высоковольтные линии электропередачи. Такие линии, обладающие значительной зарядной мощностью, требуют работы генераторов и компенсаторов в режимах глубокой потребления реактивной мощности в часы снижения активных нагрузок. Применение для этой цели реакторов не всегда эффективно и требует значительных затрат. Благодаря наличию на роторе не однофазной, а двух- или трехфазной обмотки возбуждения, АСГ могут использоваться для испытания генераторов постоянного тока методом взаимной индукции. «Путем регулирования на этих обмотках тока возбуждения, можно плавно регулировать угол между вектором потока возбуждения и «продольной» осью машины, а следовательно, и угол нагрузки.» [10].

Следует отметить также, что асинхронизированные турбогенераторы являются одним из типов современных многофункциональных устройств, обеспечивающих реализацию так называемой технологии FACTS – технологии гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока, позволяющей комплексно решать проблемы генерации и транспорта электроэнергии. [8]

Достоинства АСГ позволяют использовать их как автономные генераторы, например, в ветроэнергетике. Вопросам управления автономной ветроэлектрической установкой с АСГ посвящена работа Л.С. Козлитина. В статье описывается функциональная схема ветроэлектрической установки, работающей в автоматическом режиме. Разработана система ее управления, которая обеспечивает высокое качество вырабатываемой электроэнергии и хорошее использование мощности ветродвигателя в широком диапазоне скоростей ветра [6].

Известна работа Шакаряна Ю.Г., в которой рассматриваются варианты автономного генератора по схеме машины двойного питания. В его статье представлена структурная схема автономного АСГ. Предложено решение проблемы поддержания баланса реактивной мощности с помощью дополнительных источников. Согласно проведенным исследованиям, для варианта АСГ с классическим НПЧ требуется наиболее мощный источник реактивной мощности (ИРМ), наименее мощный – для варианта АСГ с ШИМ-ПЧ. На основе анализа электромагнитных процессов в АСГ проведена оценка коэффициента нелинейных искажений. Определено, что для варианта АСГ с классическим НПЧ коэффициент нелинейных искажений меньше. Это обусловлено тем, что мощный ИРМ выполняет функцию фильтра высших гармоник. На основе коэффициента потерь проведена оценка энергетических показателей [9]. Однако не представлено математическое описание работы АСГ.

Преобразованию уравнений электрической машины двойного питания посвящена статья В.А. Диевского. Представлены математические уравнения машин двойного питания с учетом влияния угла нагрузки [7].

Моделированием асинхронизированного генератора занимались также Лоханин Е.К, Лохматов А.П., Мамиконянц Л.Г., Скрыпник А.И.. Рассмотрена модель асинхронизированного турбогенераторного комплекса, в которой возможно выполнять анализ переходных режимов энергосистем, содержащих АСГ. Приведены сопоставительные расчеты переходных режимов при наличии синхронных и асинхронизированных турбогенераторов. Расчеты показали преимущества асинхронизированных турбогенераторов для повышения устойчивости систем [11].

Благодаря своим достоинствам АСГ сегодня находят широкое применение в промышленности [8].

Перечень нерешенных вопросов.

В существующих математических моделях АСГ не исследованы:

• динамические характеристики;

• перетоки мощности;

• математическая модель системы самовозбуждения АСГ;

• методика проектирования серии АСГ для различных условий работы.

Создание виртуальной модели

Методика:

• Модель исследуемой схемы составлялась из элементов библиотеки Simulink;

• Подключались виртуальные приборы для измерения контролируемых параметров;

• Вводились параметры электрические элементов схемы (напряжения, частоты источников, сопротивления и индуктивности обмоток), близкие к параметрам реального синхронного турбогенератора;

• Результаты измерений для каждого набора параметров вводились в таблицу Excel, строились графики зависимостей.

Модель устройства представлена на рис. 3.

Стенд для определения характеристик генератора содержит асинхронизированный синхронный генератор ASG, источник напряжения возбуждения, нагрузку. В качестве АСГ принята модель трехфазной асинхронной машины с фазным ротором из библиотеки Simulink. В качестве источника возбуждения – библиотечный источник трехфазного напряжения, нагрузка выполнена в виде резисторов.

Модель работает следующим образом. К ротору прикладывается момент, полученный как разность между заданным моментом и моментом, пропорциональным частоте вращения. Это дает возможность стабилизировать частоту вращения при варьировании электрической нагрузки генератора. К трехфазной обмотке ротора прикладывается напряжение от трехфазного источника, так что в роторе создается вращающийся относительно ротора магнитный поток, который индуктирует в статоре ЭДС. Значение и частота ЭДС пропорциональны алгебраической сумме частот вращения ротора и вращения магнитного потока относительно ротора. Под действием ЭДС через обмотки статора и сопротивления нагрузки проходит ток, которым энергия передается от генератора в нагрузку. Магнитный поток, созданный током нагрузки в обмотке статора, алгебраически складывается с магнитным потоком ротора, так что ЭДС в статоре создается потоком суммарным.

Особенность АСГ в том, что ЭДС индуктируется и в роторе, вычитаясь из напряжения возбуждения, так что ток возбуждения проходит под действием этой разности, а не только источника возбуждения, как в синхронном генераторе. Эта особенность сообщает генератору существенные отличия от генераторов синхронного и асинхронного.

Прототипом для задания параметров принят синхронный турбогенератор мощностью 6 МВт, номинальным напряжением 6,3 кВ. В процессе исследования варьировались напряжение и частота возбуждения, частота вращения, сопротивления резисторов нагрузки. Контролировались ток возбуждения, вращающий момент, напряжение и ток нагрузки.

Определение характеристик АСГ

Характеристики холостого хода.

Определялись при сопротивлении резисторов нагрузки на два порядка большем, чем номинальное сопротивление, так что ток нагрузки имел незначимые значения. Частота вращения варьировалась в диапазоне 20 - 80 Гц, частота возбуждения варьировалась в диапазоне ±30 Гц. Напряжение возбуждения устанавливалось таким, чтобы при частоте вращения ротора 50 Гц в обмотке статора индуктировалась ЭДС 6,3 кВ частотой 50 Гц – при частоте возбуждения, равной 0. В процессе исследования изменялась частота вращения при нулевой частоте возбуждения, затем частота возбуждения при частоте вращения 50 Гц. Результаты представлены на рис. 4.

Из графика видно, что напряжение генератора одинаково изменяется в зависимости от частот вращения и возбуждения с коэффициентом dU/df = 50В/Гц. Из этого следует, что желаемая частота напряжения генератора может быть получена регулированием частоты вращения ротора, регулированием частоты вращения магнитного поля возбуждения относительно ротора или их совместным регулированием.

Внешние характеристики.

Определялись для частоты генерируемого напряжения 50 Гц. Частота вращения изменялась в диапазоне 20ё80 Гц, частота возбуждения устанавливалась в диапазоне ±30 Гц так, чтобы частота генерируемого напряжения была 50 Гц. Напряжение возбуждения устанавливалось таким, чтобы при номинальном токе нагрузки и частоте генерируемого напряжения 50 Гц значение генерируемого напряжения было 6 кВ. Нагрузка изменялась изменением сопротивления резисторов нагрузки. Внешние характеристики представлены на рис. 5.

Из графиков можно сделать ряд заключений.

• В асинхронизированном режиме характеристики существенно более жесткие, чем в режиме синхронного генератора.

• При согласном направлении вращения поля возбуждения и ротора генерируемое напряжение уменьшается с увеличением тока нагрузки. Это объясняется тем, что ЭДС, индуктированная током нагрузки в роторе (реакция якоря), меньше напряжения источника возбуждения, и разница между ними увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, снижается результирующий поток возбуждения и индуктируемая им ЭДС якоря (статора).

• При встречном направлении вращения поля и ротора напряжение увеличивается с ростом тока. Это объясняется тем, что реакция якоря больше напряжения источника возбуждения, и разница между ними увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, увеличивается результирующий поток возбуждения и индуктируемая им ЭДС якоря.

• Чем выше частота, тем жестче характеристики, меньше зависимость напряжения от нагрузки. Это объясняется тем, что с увеличением частоты меньше относительное значение падения напряжения в активном сопротивлении цепи возбуждения, ток возбуждения во все большей мере зависит от разности напряжения источника возбуждения и ЭДС реакции якоря, происходит все боле полная компенсация реакции якоря.

Энергетические характеристики.

Определенны как мощность, переданная в нагрузку, и КПД при различных частотах возбуждения. На рис. 6 представлены зависимости переданной мощности от тока нагрузки при различных частотах в диапазоне ±30 Гц при постоянном напряжении возбуждения генератора.

Проанализировав график, можно прийти к следующим заключениям.

• При токе нагрузки до полутора номинального у генератора с постоянным возбуждением происходит срыв (резкое снижение напряжения) генерации, а при переменном напряжении возбуждения этого не происходит. Это объясняется тем, что при переменном напряжении возбуждения размагничивающее действие тока нагрузки приводит к уменьшению противоЭДС в цепи возбуждения и, следовательно, к увеличению тока возбуждения, происходит автоматическая компенсация реакции якоря. При постоянном напряжении возбуждения размагничивающая реакция якоря не компенсируется, так что результирующий магнитный поток снижается с увеличением тока нагрузки.

• При вращении поля возбуждения против вращения ротора имеет место перекомпенсация (кривые -10 и -30 Гц на рис. 6), а при вращении поля возбуждения согласно с ротором реакция якоря несколько недокомпенсирована (кривые 10 и 30 Гц на рис. 6). С увеличением частоты возбуждения качественное различие между характеристиками уменьшается (кривые -30 и 30 различаются меньше, чем -10 и 10 Гц).

КПД в зависимости от частоты возбуждения представлено на рис. 7.

Видно, что при частоте возбуждения 0 и выше КПД близко к 1. В режимах, когда вращение поля возбуждения направлено против ротора, КПД снижается с увеличением частоты поля. Это объясняется тем, что часть механической энергии турбины передается источнику возбуждения, а не нагрузке [12].

По проделанной работе можно сделать следующие выводы.

• Асинхронизированный режим работы синхронного генератора обеспечивает более устойчивое преобразование механической энергии в электрическую, чем традиционный синхронный режим.

• С увеличением частоты поля увеличивается стабильность генерированного напряжения по отношению к току нагрузки.

• То обстоятельство, что мощность возбуждения составляет существенную часть мощности нагрузки, требует разработки специальных схем питания цепи возбуждения, например, организации генерации энергии с самовозбуждением.